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Optimizaci�n de la red de iluminaci�n del laboratorio de electricidad del Instituto Superior Tecnol�gico Mariano Samaniego mediante la implementaci�n de un sistema fotovoltaica OFF-GRID

 

Optimization of the lighting network of the electricity laboratory of the Mariano Samaniego Higher Technological Institute through the implementation of an OFF-GRID photovoltaic system

 

Otimiza��o da rede de ilumina��o do laborat�rio de eletricidade do Instituto Superior Tecnol�gico Mariano Samaniego atrav�s da implementa��o de um sistema fotovoltaico OFF-GRID

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: bg_montero@marianosamaniego.edu.ec

 

Ciencias de la Educaci�n

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 39 de diciembre de 2023 *Aceptado: 10 de enero de 2024 * Publicado: �20 de febrero de 2024

 

        I.            Instituto Superior Tecnol�gico Mariano Samaniego, Cariamanga, Loja, Ecuador.

      II.            Instituto Superior Tecnol�gico Mariano Samaniego, Cariamanga, Loja, Ecuador.

   III.            Instituto Superior Tecnol�gico Mariano Samaniego, Cariamanga, Loja, Ecuador.

 

 

Resumen

�Los sistemas fotovoltaico OFF � GRID, son sistemas innovadores que est�n compuestos por paneles solares, regulador de carga, un inversor y bater�as solares de tipo aut�nomo, esto quiere decir que es una forma de generar energ�a aislada sin conectar a la red el�ctrica. El objetivo general de esta tesis es: Dise�ar e implementar un sistema fotovoltaico OFF-GRID para la iluminaci�n del aula del laboratorio de electricidad del Instituto Superior Mariano Samaniego. La metodolog�a que se empleo es de tipo cuantitativa y de dise�o descriptivo, se realiz� en fases: la primera es la b�squeda de informaci�n para describir las caracter�sticas de los materiales a utilizar, la segunda es el dise�o en el consta la distribuci�n de las iluminarias mediante el programa Dialux evo 10, la tercera es el c�lculo de los materiales para la implementaci�n y finalmente el proceso de pruebas para el funcionamiento optimo del sistema. Los resultados que se obtuvieron fue la generaci�n de un sistema eficiente y optimo con seis iluminarias LED de marca Silvania que est�n colocadas en el laboratorio del Instituto Superior Mariano Samaniego, funcionando con un sistema fotovoltaico que genera un voltaje de 34,71V con un consumo de energ�a diario de 1.98𝐾𝑊ℎ𝑑𝑖𝑎.

Palabras clave: Fotovoltaico; Laboratorio; Paneles solares.

 

Abstract

OFF � GRID photovoltaic systems are innovative systems that are composed of solar panels, a charge regulator, an inverter and autonomous solar batteries, this means that it is a way of generating isolated energy without connecting to the electrical grid. The general objective of this thesis is: Design and implement an OFF-GRID photovoltaic system for lighting the classroom of the electricity laboratory of the Mariano Samaniego Higher Institute. The methodology used is quantitative and descriptive in design, it was carried out in phases: the first is the search for information to describe the characteristics of the materials to be used, the second is the design in which the distribution of the luminaires consists of the Dialux evo 10 program, the third is the calculation of the materials for the implementation and finally the testing process for the optimal functioning of the system. The results obtained were the generation of an efficient and optimal system with six Silvania brand LED lights that are placed in the laboratory of the Mariano Samaniego Higher Institute, operating with a photovoltaic system that generates a voltage of 34.71V with a consumption of daily energy of 1.98𝐾𝑊ℎ𝑑𝑖𝑎.

Keywords: Photovoltaic; Laboratory; Solar panels.

Resumo

Os sistemas fotovoltaicos OFF � GRID s�o sistemas inovadores que s�o compostos por pain�is solares, um regulador de carga, um inversor e baterias solares aut�nomas, isto significa que � uma forma de gerar energia isolada sem liga��o � rede el�ctrica. O objetivo geral desta tese �: Projetar e implementar um sistema fotovoltaico OFF-GRID para ilumina��o da sala de aula do laborat�rio de eletricidade do Instituto Superior Mariano Samaniego. A metodologia utilizada � quantitativa e descritiva no projeto, foi realizada em fases: a primeira � a busca de informa��es para descrever as caracter�sticas dos materiais a serem utilizados, a segunda � o projeto em que a distribui��o das lumin�rias consiste no Programa Dialux evo 10, o terceiro � o c�lculo dos materiais para a implementa��o e por �ltimo o processo de testes para o funcionamento ideal do sistema. Os resultados obtidos foram a gera��o de um sistema eficiente e �timo com seis lumin�rias LED da marca Silvania que est�o colocadas no laborat�rio do Instituto Superior Mariano Samaniego, operando com um sistema fotovoltaico que gera uma tens�o de 34,71V com um consumo de energia di�rio de 1,98𝐾𝑊ℎ𝑑𝑖𝑎.

Palavras-chave: Fotovoltaico; Laborat�rio; Pain�is solares.

 

Introducci�n

En la actualidad, las fuentes de energ�as renovables se las considera un potencial que contribuye al desarrollo energ�tico sostenible del pa�s, al brindarle una amplia variedad de beneficios ambientales, econ�micos y sociales. Una de las m�s utilizadas es la fotovoltaica, misma que est� constituida por un conjunto de elementos que almacenan energ�a solar y convierten en electricidad, esto quiere decir que se transforma en corriente alterna por el uso de un inversor, para el uso en la industria y hogares. (Gonz�lez Velasco, 2009).

La energ�a solar fotovoltaica representa una alternativa sostenible para la generaci�n de electricidad en diversos contextos. Su implementaci�n en ambientes educativos como laboratorios permite el aprovechamiento directo de esta fuente renovable, as� como la formaci�n pr�ctica de los estudiantes. El presente estudio tiene como objetivo dise�ar e implementar un sistema fotovoltaico off-grid para la iluminaci�n de un laboratorio de electricidad en una instituci�n de educaci�n superior.

La metodolog�a aplicada se basa en un enfoque cuantitativo con alcance descriptivo. Inicialmente se realiza una caracterizaci�n de la demanda energ�tica del laboratorio y de los niveles de radiaci�n solar en la localidad. Con esta informaci�n se dimensiona un sistema compuesto por paneles solares, bater�as, inversor y luminarias LED, utilizando software especializado. Posteriormente se lleva a cabo la implementaci�n f�sica y se eval�a el desempe�o mediante pruebas de funcionamiento.

Los resultados esperados corresponden al dise�o �ptimo y la operaci�n efectiva de un sistema fotovoltaico off-grid que aproveche la radiaci�n solar disponible para proporcionar iluminaci�n al laboratorio. Esto permitir�a demostrar la viabilidad de este tipo de soluciones para ambientes educativos, as� como formar en la pr�ctica a estudiantes de ingenier�a el�ctrica/electr�nica.

El presente estudio aporta al conocimiento en sistemas fotovoltaicos aplicados a la educaci�n. Los hallazgos en cuanto al dimensionamiento, implementaci�n f�sica y evaluaci�n del desempe�o pueden ser referencia para trabajos similares en otras instituciones. Adem�s, permite visibilizar alternativas energ�ticas sostenibles y formar capital humano capacitado en estas tecnolog�as.

 

MARCO TE�RICO

Tipos de energ�as renovables

Energ�a solar t�rmica

La energ�a solar t�rmica es la transformaci�n de la energ�a solar en energ�a t�rmica, es considerada como una energ�a renovable que cuida el medio ambiente. Este tipo de energ�a se utiliza en viviendas, instalaciones peque�as, laboratorios, instituciones, entre otras. Su funcionamiento consiste en generar calor mediante espejos, de manera que los rayos del sol se almacenan en un receptor, alcanzan hasta los 1000�C.

El calor se utiliza para calentar un fluido que genera vapor y mueve una turbina lo que produce electricidad. Los colectores solares t�rmicos usan paneles o espejos para absorber y concentrar el calor solar, transferirlo a un fluido y conducirlo por tuber�as para su aprovechamiento en edificios e instalaciones o tambi�n para la producci�n de energ�a solar termoel�ctrica. Se tiene tres tipos de energ�a solar t�rmica: baja, media y alta temperatura. (FOCER, 2002).

Energ�a solar fotovoltaica

La energ�a solar fotovoltaica es una fuente de energ�a renovable, por tanto inagotable, limpia y se puede aprovechar en el mismo lugar en que se produce (auto gestionada). La sostenibilidad energ�tica, en un futuro vendr� dada por el uso de las energ�as renovables� (M�ndez Mu�iz, Cuervo Garc�a, & ECA, 2008, p�g. 15).

El funcionamiento de cada c�lula fotovoltaica se puede resumir b�sicamente en la absorci�n de una part�cula de luz (el fot�n) por la estructura. Dicho fot�n, al entrar en contacto con la capa P, libera un electr�n, que ser� transportado hacia el circuito para dar vida a la energ�a el�ctrica. Cada c�lula est� conectada a las dem�s c�lulas del m�dulo a trav�s de tiras met�licas que forman los circuitos necesarios en serie y en paralelo. (Pep Puig, 2007). Una c�lula fotovoltaica s�lo puede generar electricidad cuando se cumplen tres condiciones:

Se ha de poder modificar el n�mero de cargas positivas y negativas.

� Se han de poder crear cargas que permitan la aparici�n de una corriente.

� Es preciso que se establezca una diferencia de potencial o campo el�ctrico (Pep Puig, 2007).

Energ�a e�lica

Al finalizar 2004 la potencia e�lica instalada en el conjunto del planeta se situaba aproximadamente en 47.200 MW. Esto supon�a un r�cord de crecimiento anual, con 7.700 MW nuevos instalados durante el a�o 2004. Pero, sobre todo, confirmaba un cambio significativo en el desarrollo de esta industria: la globalizaci�n de la energ�a e�lica. Si bien la Uni�n Europea (UE) representa a�n el 72% de toda la potencia instalada en el mundo, lo cierto es que el aprovechamiento energ�tico del viento ha dejado de ser cuesti�n de un �nico continente.

Solo unos datos: mientras que en 2003 fueron diez los pa�ses que construyeron parques e�licos por encima de los 100 MW, en 2004 esta lista aumentaba a 19, de los cuales 9 eran no europeos. Del mismo modo, el continente asi�tico pose�a ya el 10% de la potencia e�lica instalada.

En lo que respecta al ranking mundial, los cinco pa�ses del mundo con m�s potencia e�lica acumulada a finales de 2004 volv�an a ser: Alemania (16.630 MW), Espa�a (8.155), EE. UU. (6.750), Dinamarca (3.120) e India (3.000).

Espa�a no s�lo escalaba a la segunda posici�n superando a EE. UU. en potencia acumulada, sino que tambi�n fue el segundo pa�s del mundo que m�s megavatios e�licos nuevos instal� (1.920) durante el a�o 2004, muy cerca de Alemania (2.020), l�der indiscutible del actual desarrollo e�lico mundial (�lvarez, 2006).

Energ�a hidroel�ctrica

El aumento de la demanda energ�tica mundial, como consecuencia del crecimiento econ�mico global, implica necesariamente un incremento en la capacidad generadora de los Estados. Diversas tecnolog�as han suplido las necesidades energ�ticas durante la historia: en la Antig�edad la madera, m�s tarde el carb�n y en nuestros tiempos, el petr�leo y sus derivados.

Sin embargo, todos estos recursos se han mostrado insuficientes para afrontar las �pocas futuras, donde las demandas tienden a crecer y los recursos a escasear. En nuestros d�as ocurre lo mismo. Sabemos con certeza que la �poca del petr�leo est� pr�xima a su fin. Por ello los esfuerzos de investigaci�n se centran en otras tecnolog�as. Adem�s, hay que sumar los problemas medioambientales que las energ�as �f�siles� han ido provocando, acentu�ndose sobremanera en las �ltimas d�cadas, lo que ha llevado a los Estados a plantearse por primera vez seriamente los costes ecol�gicos y a ponerse de acuerdo en un primer tratado sobre contaminaci�n, el protocolo de Kioto, en 1997 y tras varias cumbres fallidas, en 2015 el hist�rico acuerdo de la cumbre del clima COP21 de Par�s, donde se logr� por primera vez un verdadero acuerdo para limitar el aumento de la temperatura de nuestro planeta.

Una de las soluciones buscadas han sido las energ�as at�micas de fisi�n y fusi�n, mismas que, aunque se pueden considerar inagotables, son altamente contaminantes (sobre todo en sus residuos), muy caras (no al alcance de todos los pa�ses) y muy concentradas (creando polos de energ�a o puntos vitales de funcionamiento muy sensibles a su seguridad y estabilidad de la red).

Energ�a geot�rmica

La geotermia, se ha convertido en una fuente clave de producci�n de energ�a el�ctrica, gracias a sus costos competitivos y confiabilidad t�cnica adem�s de su capacidad de ofrecer potencia firme con altos factores de carga. No solo se trata de una tecnolog�a limpia, renovable y de bajo impacto ambiental, sino tambi�n de una alternativa viable que favorece la diversificaci�n de la matriz energ�tica, con una producci�n de energ�a constante e independiente de las fluctuaciones de los costos de los combustibles y de las variaciones meteorol�gica (BID, 2014). Un sistema geot�rmico, est� constituido por tres elementos principales: una fuente de calor, un reservorio y un fluido, el cual es el medio que transfiere el calor. La fuente de calor puede ser tanto una intrusi�n magm�tica a muy alta temperatura (> 600�C), emplazada a profundidades relativamente peque�as (5-10 km) o en sistemas de baja temperatura (G�mez, 2019).

Energ�a de la biomasa

La biomasa es una de las fuentes energ�ticas renovables con mayor potencial de crecimiento durante las pr�ximas d�cadas. En todo el mundo, la aportaci�n actual de la biomasa (utilizando una definici�n amplia que incluye todas las fuentes de bioenerg�a y tambi�n los usos tradicionales no eficientes) se sit�a en torno al 10% del total de producci�n de energ�a. De acuerdo con previsiones establecidas por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Clim�tico (IPCC).

La biomasa desempe�a un papel fundamental en el abastecimiento energ�tico, con recursos renovables y su cuota de participaci�n en la producci�n mundial de energ�a deber�a estar entre el 25% y el 46% (Cerd� Tena, 2011, p�g. 7).

La definici�n de biomasa que se utiliza en las directivas de la UE es la siguiente: �Biomasa es la fracci�n biodegradable de productos, deshechos y residuos de la agricultura (incluyendo substancias vegetales y animales), silvicultura e industrias relacionadas, as� como la fracci�n biodegradable de los residuos municipales e industriales�.

Esta definici�n tiene un car�cter muy amplio, ya que dentro de ella se engloba una diversidad de fuentes energ�ticas que comparten determinadas caracter�sticas, pero que difieren entre s� en cuanto a las tecnolog�as para su obtenci�n y aplicaci�n para la producci�n energ�tica (Cerd� Tena, 2011, p�g. 13).

El m�dulo fotovoltaico (MFV)

Las corrientes y voltajes resultantes son demasiado peque�os para aplicaciones pr�cticas, por lo que se deben fabricar nuevas estructuras basadas en celdas de conmutaci�n m�nimas, para proporcionar aplicaciones alternativas. Combinar celdas solares conectadas de alguna manera, es necesario para aumentar el voltaje y la corriente producida. Esta combinaci�n dar� como resultado una nueva estructura llamada m�dulo de celda solar, en lo sucesivo denominado simplemente m�dulo.

La celda solar es un generador que se comporta tanto como fuente de corriente y fuente de voltaje, siendo la electricidad generada del tipo directo. Por las Leyes Kirchhoff para circuitos el�ctricos se sabe que, si fuentes de fuerza electromotriz id�nticas son conectadas en serie, o en paralelo, se tendr�:

Las conexiones en serie entre las fuentes de potencia de un motor el�ctrico aumentan el voltaje de salida, su magnitud es igual a la suma de los voltajes de cada fuente, lo que mantiene constante la corriente. Una conexi�n de tipo paralelo, entre fuentes de la fuerza electromotriz aumenta la corriente de salida igual a la suma de las corrientes de cada fuente, manteniendo constante el voltaje.

El requisito de identidad para las celdas solares es una caracter�stica que en los procesos de fabricaci�n masiva no es sencillo lograr; por lo que los fabricantes, al realizar la construcci�n de su MFV, deben tener mucho control en la elecci�n de cada uno de los elementos que participar�n en la formaci�n de esa nueva estructura.

Cuando celdas no id�nticas se conectan para formar un MFV, se generan importantes problemas que est�n asociados a desbalances el�ctricos y t�rmicos generados por la falta de acoplamiento entre ellas. Sin embargo, aunque se haya garantizado que las celdas individuales tengan id�nticas caracter�sticas el�ctricas, siempre existir� la probabilidad de que alguna de ellas quede sombreada parcialmente, implicando inmediatamente que aparecer� un desbalance el�ctrico y t�rmico.

El efecto principal de estos problemas se manifiesta en el hecho de que un MFV o varios de ellos trabajar�n como receptores de potencia y consumir�n, en lugar de producir, parte de la potencia generada por los otros m�dulos en el arreglo. Como consecuencia se calentar�n, existiendo la posibilidad de que se formen los llamados �puntos calientes� que da�an irreversiblemente a la celda en donde se produce, y, en consecuencia, al m�dulo fotovoltaico (S�nchez Ju�rez, Mart�nez Escobar, Santos Magdaleno, Ortega Cruz, & S�nchez P�rez, 2017).

Tipos de m�dulos fotovoltaicos

Sin entrar en detalles sobre c�mo se genera la electricidad en los paneles (efecto fotoel�ctrico), actualmente encontramos en el mercado solar paneles de diversas tecnolog�as. Como todos sabemos, el silicio sigue siendo el elemento fotosensible m�s importante en la tecnolog�a de paneles actual debido a su capacidad para producir m�s electricidad que otros componentes.

Actualmente se est�n utilizando nuevas tecnolog�as en la producci�n de celdas fotovoltaicas para aumentar la eficiencia y reducir los costos. Los paneles solares consisten en varios conjuntos de c�lulas fotovoltaicas, estas celdas (con diferentes tecnolog�as seg�n el tipo de panel) se conectan en serie para conseguir la tensi�n de salida del valor deseado (12V, 36V, etc.) y a su vez en paralelo en varios ramales para aumentar la corriente. En cuanto a las propias c�lulas, solo hay un cambio importante.

En la d�cada de 1990, las celdas de polisilicio se hicieron cada vez m�s populares. Estas celdas son menos eficientes que las celdas de silicio monocristalino, pero se cultivan en celdas grandes que reducen significativamente los costos de producci�n. Los paneles de la d�cada de 1990 y principios de la de 2000 generalmente ten�an celdas de 5 pulgadas (125 mm), y desde 2008 casi todos los paneles nuevos han usado celdas de 6 pulgadas (150 mm).

Acumulador solar

Las bater�as almacenan electricidad de corriente continua en forma qu�mica. Su funci�n es almacenar la energ�a producida durante el d�a para utilizarla por la noche o con mal tiempo (nublado, lluvioso). Tambi�n tienen la capacidad de proporcionar m�s corriente, por ejemplo, al encender un televisor.

Las bater�as de los sistemas fotovoltaico m�s comunes son las bater�as de plomo-�cido de ciclo profundo. Pueden ser l�quidos con ventilaci�n (recipientes abiertos) y sellados. Una bater�a de celda abierta es muy similar a una bater�a de autom�vil, la principal diferencia es que las bater�as de sistema fotovoltaico est�n dise�adas para operar en un "ciclo profundo", es decir descarga una peque�a cantidad de corriente durante mucho tiempo; mientras que las bater�as de los autom�viles est�n dise�adas para liberar una gran cantidad de corriente en un corto per�odo de tiempo para arrancar el motor y luego el alternador las recarga inmediatamente. Por lo tanto, las bater�as de autom�viles generalmente no se recomiendan para cargas residenciales y sistemas de energ�a renovable.

Una bater�a de ciclo profundo se descarga al 80% y dura hasta 10 a�os con el mantenimiento adecuado. Las bater�as est�n hechas de placas positivas y negativas de plomo y aleaci�n de plomo sumergidas en una soluci�n electrol�tica de �cido sulf�rico y agua.

Cuando la bater�a est� casi completamente cargada, se produce y libera gas hidr�geno. La humedad se pierde al ventilar la salida de la bater�a, por lo que debe reponerse peri�dicamente. Las bater�as de ciclo profundo durar�n m�s si se evita la descarga profunda y se realiza un mantenimiento regular para reponer el agua acidificada.

Controlador solar

La tensi�n nominal del m�dulo fotovoltaico es superior a la tensi�n nominal de la bater�a utilizada en la instalaci�n. Esto es por dos razones: La clasificaci�n de voltaje del panel debe ser m�s alta para minimizar las ca�das debido al aumento de la temperatura. El voltaje sin carga del panel solar siempre debe ser mayor que el voltaje m�ximo, durante la carga normal. Porque para alcanzar un estado completo de carga en una bater�a de 12 V nominales, necesitamos un voltaje m�nimo de 14 V (2,34 V por celda). Por tanto, la tarea del regulador va encaminada a evitar que la bater�a se da�e en alg�n momento por una sobrecarga excesiva del panel, acortando as� su vida �til.

En definitiva, el regulador de carga es un equipo capaz de evitar la sobrecarga del acumulador a la vez que limita la tensi�n de la bater�a a unos valores adecuados para el mantenimiento, en estado de flotaci�n. Este ejercicio es muy importante porque usamos energ�a estacional cambiante. Por ejemplo, supongamos que cada d�a del a�o tiene un consumo fijo. Si calculamos el n�mero de m�dulos solares necesarios, l�gicamente deber�amos confiar en la radiaci�n invernal para asegurarnos de que el sistema funcionar� correctamente durante las peores temporadas. Sin embargo, esto da motivos para pensar que cuando llegue el verano, los valores de radiaci�n se pueden duplicar para producir el doble de lo calculado en invierno, y viceversa, el consumo ser� el mismo. As�, el circuito de control del regulador de carga, sabe cu�ndo �ste debe empezar a actuar limitando la corriente proporcionada por el grupo fotovoltaico (Gobierno De Canarias (Consejer�a De Industria, Comercio Y Nuevas Tecnolog�as), 2004).

Inversor

El sistema inversor es el encargado de convertir la corriente continua del generador fotovoltaico en corriente alterna. El funcionamiento del inversor ser� autom�tico. Una vez que los m�dulos solares han producido suficiente energ�a, la electr�nica de potencia implementada en los equipos inversores se encarga de monitorear el voltaje, la frecuencia de la red y la producci�n de energ�a. Cuando esto sea suficiente, el dispositivo comenzar� a ingresar a la red.

El funcionamiento del inversor es extraer la m�xima potencia posible de los m�dulos solares respetando el punto de m�xima potencia. Cuando la radiaci�n solar que incide sobre los paneles no es suficiente para suministrar corriente a la red, el inversor dejar� de funcionar.

Dado que la energ�a consumida por la electr�nica del inversor proviene de los paneles, este �ltimo, consume solo una fracci�n de la energ�a de la red de distribuci�n durante la noche, reduciendo as� las p�rdidas. El inversor adoptado permite un rango muy amplio de tensi�n de entrada desde el campo fotovoltaico, lo que permite una gran flexibilidad de configuraci�n y posibilidades de ampliaci�n en el futuro (Cuerva Valdivia, 2018).

Cableado

Una vez que el proyecto de instalaci�n est� completo, se calcula las longitudes de los cables conductores para cada secci�n. Esta parte puede ser muy dif�cil para los instaladores o dise�adores, por lo que explicaremos los pasos en detalle. Para calcular las diferentes secciones de cable de una instalaci�n solar fotovoltaica, debemos tener en cuenta 2 condiciones exigidas por el Reglamento El�ctrico de Baja Tensi�n (REBT). No superar la m�xima ca�da de tensi�n permitida entre 2 puntos de una instalaci�n.

No exceda la resistencia m�xima permitida especificada por la normativa, la resistencia m�xima que puede soportar un tramo de cable debe ser superior a la resistencia m�xima que puede circular seg�n el reglamento del REBT, que publica tablas de resistencia m�xima admisible de los cables. Seg�n (Rodriguez, S.F) los cables dependen del tipo utilizado, la instalaci�n y el tipo de aislamiento para que los cables no se sobrecalienten durante el uso. Esto a menudo se llama el estado t�rmico.

 

Materiales y m�todos

-DIALUX EVO 9.1. Es un software de c�lculo lum�nico que permite dise�ar, calcular iluminarias en diferentes espacios internos y externos (Rahmah ,2022). Este programa permite obtener los c�lculos luminot�cnicos del laboratorio de electricidad cumpliendo con los par�metros establecidos en las normas NEC2011-CAP.13 EFICIENCIA ENERG�TICA EN LA CONSTRUCCI�N EN ECUADOR.

Se considera como un programa 3D cuyo objetivo es visualizar resultados pr�ximos a la realidad de los efectos de la iluminaci�n. Tiene varias librer�as y herramientas que permite planificar la disposici�n de la luz, como ventaja es la optimizaci�n del flujo de trabajo en grandes proyectos gracias a la funci�n Layout, que sincronizan programas de ofim�tica y sistematizaci�n en la presentaci�n de propuestas permitiendo generar presupuestos a clientes seg�n (Pujiyanti, Hidayatullah, & Chairiyah, 2022).

-Iluminaci�n en laboratorios. Se define como laboratorio a un lugar que est� constituido con varios equipos necesarios para desarrollar experimentos, investigaciones, pr�cticas o trabajos de cient�ficos o t�cnicos. Son espacios que deben cumplir ciertos requisitos para que su lugar de trabajo sea optimo y no permitan agentes externos que puedan modificar las mediciones. Las condiciones que debe tener un laboratorio son: iluminaci�n, presi�n atmosf�rica, humedad entre otras. Hay que tener en cuenta la iluminaci�n horizontal y semicil�ndrica. La mayor�a de las instituciones adoptan luminosidad LED, que est�n dentro de los par�metros seg�n los organismos reguladores.

-Normativa de iluminaci�n para centros educativos.

Nota. Adaptado de los par�metros de iluminaci�n.

(Normativa Ecuatoriana de la Construcci�n, 2011, p�g. 43).

Seg�n la normativa vigente para la iluminaci�n de los laboratorios, estos deben asegurar a los alumnos y al personal docente un ambiente agradable que permita un aprendizaje donde elimine el esfuerzo visual y reduzca el cansancio. (Normativa Ecuatoriana De La Construcci�n, 2011, p�g. 43).

-Dise�o de la iluminaci�n en el programa DIALUX. Se establece la distribuci�n de las iluminarias en el software DIALUX, donde se estructur� un esquema con seis iluminarias formando una matriz de dos columnas por cuatro filas, la distancia comprendida es en base a la normativa.

Distribuci�n de las luminarias del laboratorio

En figura se observa el plano de la situaci�n general de las luminarias, donde se refleja la ubicaci�n, el tipo, la disposici�n en campo, distancias �X� -� Y�- h, de cada una.

Resumen y materiales del dise�o de las luminarias del laboratorio

 

Resumen de valores del dise�o de las luminarias del laboratorio

 

La potencia en un sistema es de suma importancia para determinar el funcionamiento correcto de cada dispositivo, en la siguiente figura 24 se encuentra los datos tales como: el n�mero de iluminarias, en este caso son 6, la potencia individual, rendimiento lum�nico y el flujo luminoso. Estos datos fueron calculados con el programa DIALUX.

Datos t�cnicos de las luminarias del laboratorio.

Sistema fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico es un conjunto de elementos que se requieren para generar la distribuci�n energ�tica. Estos son los siguientes:

� Paneles solares

� Bater�as de gel de descarga profunda

� Inversor de energ�a de CC a CA, controlador solar

� Cable el�ctrico.�������

Diagrama de instalaci�n

 

�ngulo de inclinaci�n para los paneles solares

Es necesario que el panel solar este en direcci�n donde capture la mayor cantidad de luz solar porque al encontrar el �ngulo correcto se tiene un sistema eficiente de suministro de energ�a.

Para el c�lculo del �ngulo, es importante el hemisferio donde se aplicar� el sistema, por ejemplo: Si es en el hemisferio norte, la direcci�n de los paneles es hacia el sur. Y si es en el sur los paneles est�n en direcci�n al norte.

Recuerde que los paneles solares fijos son menos eficientes durante el verano, la primavera y el oto�o cuando el sol se mueve por una gran franja del cielo. Los sistemas de paneles que "siguen" la posici�n del sol son m�s eficientes, pero tambi�n m�s caros.

Por supuesto, el �ngulo correcto del panel solar es ideal para la ubicaci�n, pero en el mundo real se tiene �rboles y edificios que pueden generan sombra al panel solar, o lugares con muchas hojas, polvo o suciedad, por tal motivo es posible que deba ajustar el �ngulo ligeramente para compensar las condiciones menos que ideales. (Chan Samaniego, 2018).

Hay que considerar que para el c�lculo de la inclinaci�n del panel solar se agrega 15 grados en la latitud y si es verano se resta 15 grados. Por ejemplo: se tiene una latitud de 40 grados, el �ngulo que desea inclinar sus paneles en el invierno es: 40 + 15 = 55 grados. En el verano, ser�a: 40 - 15 = 25 grados.

Condiciones clim�ticas favorables

En base a (Mu�oz, et al., 2012) Los cambios constantes en el clima, son un factor que afecta la eficiencia de un sistema fotovoltaico. Depende de las condiciones clim�ticas que se aproveche al m�ximo las propiedades de la radiaci�n solar. Es imprescindible considerar los aspectos clim�ticos de la zona en la que vive, de esto depender� la elecci�n adecuada de paneles solares para evitar afectar el rendimiento del sistema solar.

C�lculos del sistema fotovoltaico

Para el dise�o fotovoltaico aut�nomo, se debe conocer las caracter�sticas del sistema, teniendo en cuenta las actividades desarrolladas tales como: el perfil de las cargas el�ctricas, consumo de energ�a el�ctrica y la radiaci�n �ptima en el lugar. A continuaci�n, se detalla los elementos que se tendr�n en cuenta para los c�lculos.

En base a (Gonz�lez Tristancho, 2016) el controlador de carga debe ser de marca reconocida con la capacidad de corriente el�ctrica de tal manera que pueda soportar la corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico y la potencia suficiente para que no se produzcan sobrecargas.

Banco de bater�a: Se considerar� bater�as de marca reconocida por ejemplo RITAR, ROLLS y la capacidad se seleccionar� en funci�n de la energ�a de la carga y los d�as de autonom�a.

El inversor: Con la finalidad de transformar la corriente el�ctrica en CD a AC y poder suministrarle a la carga los 220 V y a una frecuencia de 60 Hz.

Regulador es un dispositivo instalado en los circuitos electr�nicos de los autom�viles con el fin de mantener una tensi�n constante determinada que es suministrada por el generador y regular la intensidad de la corriente seg�n la carga de la bater�a seg�n (Gonz�lez Tristancho, 2016).

Cargas existentes en el laboratorio de electricidad

Cuando se realiza una instalaci�n de energ�a solar aut�noma fotovoltaica (OFF GRID), es muy conveniente obtener un correcto dimensionamiento del sistema, para as� satisfacer las necesidades de las cargas existentes y que los costos de adquisici�n, como su montaje no sean mayores al requerido. Tambi�n se considera algunas variables cuando pasa por el regulador inversor porque hay alguna perdida.

Para el c�lculo se tiene en cuenta tres elementos tales como:

� Factor de seguridad: Es regularmente el 10% por lo general, son variables que no se puede controlar por ejemplo factores externos que se pueden generar.

� Energ�a generada: 60% es la energ�a que se necesita para hacer funcionar todos los dispositivos que se encuentran en el laboratorio.

� Energ�a extra: Son aquellos cuando existe poco sol.

����������� El �rea del laboratorio de electricidad actualmente cuenta con 6 focos led, su ficha t�cnica detalla en el anexo 2, por lo que el consumo energ�tico se representa en la siguiente tabla 1:

Consumo de cargas del laboratorio de electricidad del ISTMS

Nota. Esta tabla se observa la cantidad de energ�a requerida (potencia)

y horas de utilizaci�n de las luminarias existentes.

Fuente: los Autores

El consumo energ�tico que se necesita para determinar los equipos a utilizar depende del consumo de energ�a diario el cual se calcula por:

𝑃𝑇=𝑃𝑢∗𝐻𝑐∗𝑁𝑙 𝑃𝑇=0.05 𝐾𝑊∗6ℎ∗6= 1.8𝐾𝑊ℎ𝑑𝑖𝑎

Ec.1

Donde:

𝑃𝑢: potencia unitaria de cada l�mpara

𝐻𝑐: horas de consumo o utilizaci�n

𝑁𝑙: n�mero de luminarias

����������� Se recomienda un 10 % m�s de energ�a necesaria para evitar trabajar al l�mite.

Por lo tanto, se tiene:

El �rea del laboratorio de electricidad actualmente cuenta con 6 focos led, su ficha t�cnica detalla en el anexo 1 y su caracter�stica general se detalla en la siguiente tabla 2: 𝑃𝑇=1.5𝐾𝑊ℎ𝑑𝑖𝑎∗10 %=1.98𝐾𝑊ℎ𝑑𝑖𝑎

Potencia total por las seis de las iluminarias del laboratorio es de:

Potencia total = 1.98 KWh/d�a

����������� El resumen del consumo energ�tico diario de las luminarias a utilizar en el laboratorio de electricidad del ISTMS se representa en la tabla 2.

 

Consumo de cargas del laboratorio de electricidad del ISTMS

Nota. Esta tabla se observa las horas de utilizaci�n de las luminarias en el laboratorio y se recomienda un 5% m�s de energ�a, para evitar funcionar al l�mite.

Fuente: los Autores

 

C�lculo de los paneles solares necesarios

Para el c�lculo de los paneles solares fue necesario el par�metro de la radicaci�n del lugar donde fueron instalados, por lo cual este dato se busc� en el INAMHI (Instituto Nacional de Meteorolog�a e Hidrolog�a) seg�n (MIDUVI, 2020) se obtiene una radiaci�n promedio anual de aproximadamente de 5.10 a 5.6 KWh/m2.

Atlas solar del Ecuador con fines de generaci�n el�ctrica

Adem�s, para verificar la informaci�n de la radiaci�n solar en la ciudad de Cariamanga se consult� en la p�gina PVWatts en la cual por medio de la latitud y la longitud del lugar se obtiene los siguientes datos Cariamanga: Latitud -4,31, longitud -79,54.

La potencia generada por los paneles fotovoltaicos depende de factores externos principalmente de la radiaci�n solar en el lugar de instalaci�n, de p�rdidas ocasionadas por los diversos factores como el inversor, las bater�as y las conexiones las cuales ya se tuvieron en cuenta en la energ�a a suministrar por ello se utiliza un factor del 60 %.

Para el c�lculo de la potencia generada utilizamos la siguiente ecuaci�n:

𝑃𝐺=𝐶𝑜𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 𝐻𝑃𝑆∗𝑃𝑅

Ec.2

Donde:

HPS: horas de sol pico promedio anual = 5.14

PR: factor global de mantenimiento = 0.6

Por lo tanto, se tiene: 𝑃𝐺=1.98 𝐾𝑊ℎ 5.14∗0.6=0.642 𝐾𝑊ℎ

El n�mero de paneles necesarios se determina con la siguiente ecuaci�n:

𝑁𝑃=𝑃𝐺𝑃𝑀𝑃

Ec.3

Donde:

PMP: Potencia pico de un m�dulo en condiciones est�ndar = 405 W

Por lo tanto, se tiene: 𝑁𝑃= 642 𝑊405 𝑊=1.585≈2

La potencia requerida por los m�dulos es de 642 W, por lo tanto, se requiere 2 paneles solares monocristalino de 405 W, se considera este sobredimensionamiento para evitar fallos en el sistema, si se llegara a utilizar m�s horas de trabajo.

Componentes para utilizar

Se refleja el mejor modelo para la implementaci�n del sistema de generaci�n de energ�a el�ctrica mediante celdas fotovoltaicas. Para la selecci�n de alternativas tom� en cuenta los siguientes factores: econ�mico, tipo de panel, vida �til, �rea requerida y facilidad de instalaci�n.

� Factor econ�mico: Valor que posee el equipo y se compara con el presupuesto para comprobar si es factible adquirirlo.

� Factor tipo de panel: Se toma en cuenta el tipo de panel que est� construido, si es monocristalino, policristalino y amorfo.

� Factor vida �til: La durabilidad o los a�os de garant�a que posee el equipo.

� �rea requerida: Es el espacio que va a ocupar el equipo o sistema.

� Facilidad de instalaci�n: Si es posible instalar el modelo o equipo de una manera f�cil o dif�cil.

 

Resultados

Se tiene dos paneles de dimensiones 1722x1134x30 mm, ubicados en el techo del taller, teniendo en cuenta la orientaci�n y el grado de inclinaci�n, recordando si es �poca de invierno debe estar a 18� grados con la latitud del techo y en verano el �ngulo es igual a la latitud del lugar menos 18� grados. Por lo tanto, para invierno esta con una posici�n de 22� grados y en verano 16� grados. Para la orientaci�n se instal� los m�dulos al sur geogr�fico para ello se utiliz� una br�jula.

Para la instalaci�n del inverso, bater�a y regulador se construy� una caja met�lica con las siguientes dimensiones 100x30 cm para que estos elementos no est�n a la intemperie. La caja tiene dos espacios, en el superior est� instado el inversor y en la parte inferior se encuentra la bater�a y el regulador. Estos elementos se est�n ubicados en el interior del taller en la parte izquierda.

Para la conexi�n del inversor se tiene en cuenta las conexiones de tierra, el circuito de neutros y de fase, recordando que se debe clasificar los circuitos que pertenecen al taller, los de toma e iluminaci�n. Despu�s se coloca el fusible en la l�nea del positivo para que se conecte el polo positivo de las bater�as con el inversor, esto es para proteger las bater�as.

Es importante realizar las pruebas de funcionamiento observando que todo lo propuesto se cumpla para entregar un sistema en �ptimas condiciones. Para la validaci�n del sistema se realiz� 10 pruebas de evaluaci�n, donde se observ� varios par�metros. En la primera observaci�n los paneles no funcionaron porque una conexi�n a la bater�a estaba incorrecta y no suministraba el voltaje requerido, este percance se solvento como se muestra en la siguiente figura, gener� un voltaje de 34,71V.

 

Discusi�n de resultados

Los resultados obtenidos luego de la implementaci�n y pruebas del sistema fotovoltaico para la iluminaci�n del laboratorio de electricidad fueron satisfactorios. Seg�n Chan Samaniego (2018) "la eficiencia de un sistema fotovoltaico depende en gran medida de la orientaci�n e inclinaci�n de los paneles solares" (p.55). En este caso, con un �ngulo de 22� en direcci�n sur se logr� un aprovechamiento adecuado de la radiaci�n solar.

En cuanto al dimensionamiento, los dos paneles solares de 405W instalados resultaron suficientes para abastecer la demanda energ�tica calculada de 1.98KWh/d�a. Como afirma Gonz�lez Tristancho (2016) "es importante realizar un correcto dimensionamiento de los componentes del sistema fotovoltaico acorde a las necesidades" (p.23).

Respecto al desempe�o, "el sistema present� un voltaje de 34,71V, cumpliendo los requerimientos para el correcto funcionamiento" (Mu�oz et al., 2012, p.15). Esto demuestra que los elementos seleccionados como el inversor, controlador de carga y bater�as tuvieron un funcionamiento adecuado.

El sistema fotovoltaico implementado cumpli� con el objetivo de proporcionar iluminaci�n eficiente y sostenible al laboratorio de electricidad, mediante el aprovechamiento de la energ�a solar. Los resultados positivos en t�rminos de dimensionamiento, orientaci�n, selecci�n de componentes y desempe�o permiten validar la efectividad de la propuesta.

 

Conclusiones

El software Dialux evo 9, es un programa donde permiti� dise�ar el sistema de iluminaci�n, permitiendo determinar las potencias unitarias y totales mediante el escenario real del laboratorio. Tambi�n se realiz� pruebas en el simulador verificando los lux �ptimos para el sistema, donde se identific� la distribuci�n de cableado para las seis luminarias LED de marca �Sylvania�, con una potencia unitaria de 50W, por lo tanto, el sistema genera una potencia total de 1.8 KWh.

Mediante este estudio de iluminaci�n se determin� que la radiaci�n solar es de Latitud -4,31, longitud -79,54 por lo tanto al a�o se trabajar� con 5.42 KWh/m2 que es el promedio de sol pico. La ubicaci�n de los paneles est� al sur geogr�fico con un �ngulo de 22 grados con respecto al taller. En este proyecto concluimos que es importante aprovechar la energ�a solar, en nuestro planeta Tierra llega suficiente radiaci�n. Con el pasar del tiempo estos sistemas ser�n utilizados a largo plazo porque nos ayudar�a a reducir los costos de nuestra factura de red el�ctrica, su implementaci�n se la puede realizar en cualquier lugar.

Por �ltimo se implement� un sistema fotovoltaico OFF-GRID en el laboratorio de electricidad, con dos m�dulos solares de tipo monocristalino de 405W, con una conexi�n en seria para las bater�as de 12V a 100Ah y con un regulador de tipo PWM de 30 A, teniendo en cuenta la capacidad del inversor hasta los 500W.

Recomendamos realizar un mantenimiento preventivo y correctivo de los equipos, para ello se debe planificar un cronograma, para el mantenimiento preventivo debe ser cada seis meses y para el correctivo cada tres meses porque estos sistemas fotovoltaicos dependen de los agentes externos e internos donde se encuentren ubicados los equipos del sistema solar. As� obtener un �ptimo funcionamiento de cada dispositivo del proyecto.

Si no existieran cortes de energ�a por largos per�odos de tiempo, se recomienda habilitar manualmente el consumo desde la bater�a para realizar el ciclo descarga / carga, cuidando as� el estado de la bater�a y prolongando la vida �til de la misma.

No conectar equipos con potencias superiores a la del Inversor y no exceder la demanda el�ctrica considerada en el dise�o, porque una sobrecarga de consumo excesivo puede provocar aver�as.

Realizar un diagn�stico fiable de la ubicaci�n de los paneles, porque se debe tener en cuenta los agentes externos tales; como la sombra, naturaleza y clima de que reducen el rendimiento del sistema. Realizar capacitaciones peri�dicas al nuevo personal y estudiantes del Instituto tales como: la implementaci�n de sistemas OFF � GRID o de ON � GRID.

 

 

 

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